這是「流程工業」發布的第 8073篇文章
渣油加氫加熱爐存在過剩氧含量高，輻射室氧含量波動大，排放煙氣NOx濃度高以及加熱爐排煙溫度高、熱效率低等問題。針對以上問題對加熱爐系統進行了綜合性改造：增設APC(先進過程控制)，加熱爐負壓及氧含量波動明顯減小，使得加熱爐運行更為穩定；更換低氮燃燒器，排放煙氣NOx的質量濃度由80.43 mg/m3降低到24.66 mg/m3，遠低於國家排放標準(100 mg/m3)；將熱管式空氣預熱器升級為鋼板-鑄鐵板組合式空氣預熱器，夏季排煙溫度由130 ℃以上降低到115 ℃左右，加熱爐熱效率上升明顯。經過一系列的改造，渣油加氫裝置加熱爐各項運行指標均得到優化，達到了節能環保的改造目的。
渣油加氫裝置加熱爐綜合改造分析
文/劉 榮
(本文作者供職於中國石化上海石油化工股份有限公司煉油部)
加熱爐的燃料氣消耗在煉油裝置能耗中占有相當大的比例，少則20%～30%，多則80%～90%，加熱爐技術水平及操作性能極大地影響著煉油裝置的能源消耗水平。因此，提高加熱爐熱效率，降低燃料氣消耗，對降低能耗具有十分重要的意義。其燃燒過程產生的NOx是大氣主要污染物之一，溫室效應是CO2的200倍，同時參與臭氧層破壞，也是形成光化學煙霧的主要組分。GB 31570—2015《石油煉製工業污染物排放標準》規定：現有企業自2017年7月1日起執行工藝加熱爐煙氣中NOx排放濃度不超過150 mg/m3(質量濃度，下同)的限值，新建企業自2015年7月1日起執行該標準，特別地區執行排放濃度不超過100 mg/m3的排放限值。因此，減少煙氣中的NOx，實現加熱爐節能減排是當務之急。
1、渣油加氫裝置加熱爐系統簡介
中國石化上海石油化工股份有限公司3.9 Mt/a渣油加氫裝置共有3台加熱爐，分別是A系列反應進料加熱爐(F-1101)，B系列反應進料加熱爐(F-1801)和分餾塔進料加熱爐(F-1201)。其煙氣及空氣工藝流程如圖1所示。該加熱爐能耗占裝置總能耗的55.51%，是裝置節能減排的關鍵設備。F-1101/1801採用雙室雙面輻射水平管純輻射箱式爐，加熱介質為渣油、氫氣和微量硫化氫，介質分兩管程進入輻射室，煙氣通過水平煙道進入F-1201對流室底部，在對流室內加熱0.4 MPa和1.3 MPa過熱蒸汽。F-1201採用單排管單面輻射對流-輻射型圓筒爐，加熱介質為石腦油、柴油、渣油和微量水，介質先經對流室預熱，再進入輻射室加熱。3台加熱爐共用一套餘熱回收系統，來自F-1201對流室的熱煙氣經空氣預熱器與冷空氣換熱後，引入獨立煙囪排入大氣。裝置煙氣CEMS(排放連續監測系統)取樣位置位於獨立煙囪加熱爐煙氣直排點上方。
2、渣油加氫加熱爐存在的問題2.1 過剩氧含量高
加熱爐燃料氣不可能在化學平衡空氣量(即理論空氣量)下完全燃燒，需要在過剩一定量空氣的條件下才能完全燃燒。在實際操作過程中，如果過剩空氣量增加，排煙時大量的過剩空氣會將熱量帶走排入大氣中，造成煙氣排煙損失增加，加熱爐熱效率降低。過剩空氣量過大時，還會加速爐管和內構件氧化，增加對流段吸熱量，促進SO2向SO3轉化，加劇煙氣低溫露點腐蝕等。
空氣預熱器熱管老化失效，將導致空氣漏至煙氣，加熱爐負壓波動大，風門調整不及時，看火門、人孔門、直排煙道擋板等關閉不嚴，都將導致爐膛過剩氧含量高，排放煙氣氧含量高。
圖1 加熱爐煙氣及空氣工藝流程
2.2 煙氣NOx含量高
GB 31570—2015中「大氣污染物特別排放限值」對工藝加熱爐污染物排放濃度做出限制：SO2限值50 mg/m3，NOx限值100 mg/m3，顆粒物限值20 mg/m3。目前裝置排放煙氣中SO2和顆粒物均遠低於排放限值，但NOx受燃料氣組成影響，特別是燃料氣採用催化干氣、渣油加氫低分氣等高熱值氣體時，煙氣NOx處於超標狀態。比較C2回收干氣併網(工況1)、催化干氣併網(工況2)、渣油加氫低分氣併網(工況3)3種工況下加熱爐燃料氣組成和CEMS監測NOx實際排放濃度，如表1和表2所示。
表1 加熱爐燃料氣組成
由表1和表2可以看出，在工況1下，CEMS監測NOx排放濃度為80.43 mg/m3，滿足GB 31570—2015要求，但運行工況2或工況3時，煙氣NOx排放濃度大大超過了現有國家標準規定值，屬於嚴重超標排放。為滿足標準要求，亟需對加熱爐進行排放達標改造。工況1為裝置的主要運行工況，其他兩個工況運行時間較少，故文中以下數據均以工況1為基準對象。
表2 CEMS監測NOx實際排放濃度
2.3 加熱爐熱效率低
據統計:當加熱爐的熱效率高於90%時，排煙的熱量損失占總熱量損失的70%～80%；當熱效率在70%左右時，排煙熱量損失占總熱量損失將超過90%，由此可見，降低排煙溫度，減少排煙熱量損失，對提高加熱爐熱效率作用明顯。
該裝置採用熱管式空氣預熱器，排煙溫度受環境氣溫影響大，F-1101/1201/1801平均排煙溫度為127 ℃，夏季排煙溫度達到130 ℃以上，對加熱爐熱效率影響較大，裝置近三年加熱爐熱效率檢測數據見表3。由表3可以看出，冬季熱效率明顯高於夏季熱效率，在同等條件下，加熱爐平均熱效率呈下降趨勢，主要原因是空氣預熱器熱管失效快，失效速率約為每年5%，排煙溫度逐年上升，無法滿足節能要求。
表3 近三年加熱爐熱效率檢測數據
註：部分月份因單系列停工檢修未進行加熱爐熱效率測試。
3、渣油加氫加熱爐改造方案3.1 APC改造
APC(先進過程控制)用多變量模型來描述過程的動態，以過程輸出軌跡與希望軌跡的模型預測差距作為控制指標，以求得最優生產控制方案。為了解決加熱爐過剩氧含量高、爐膛負壓波動大等問題，在2018年基於APC項目對加熱爐增加了配風控制器，其主要操作變量和被控變量見表4。
3.2 低氮燃燒器改造
裝置改造選用低NOx燃燒器，其中F-1101/1801選用低NOx附牆式扁平焰氣體燃燒器，F-1201 選用低NOx氣體燃燒器。兩種燃燒器發熱量不同，火焰形狀及高度不同。加熱爐燃燒器改造設計基礎數據如表5所示。
表4 配風控制器主要操作變量(MVs)和被控變量(CVs)
表5 低氮燃燒器改造設計基礎數據
3.3 空氣預熱器改造
根據計算，冷空氣在預熱器中溫度每升高 1.5 ℃，排煙溫度可降低1 ℃，若冷空氣預熱溫度升高150～160 ℃，則排煙溫度可降低110～120 ℃，加熱爐熱效率提高7.0%～7.5%，節約燃料11%～12%。改造餘熱回收系統更新空氣預熱器，採用高溫段(鋼板式)和低溫段(鑄鐵板式)組合的型式，其設計基礎數據見表6。
表6 空氣預熱器設計基礎數據
改造後排煙溫度設計為100 ℃，計算和實測露點溫度70～75 ℃，環境溫度在15 ℃以上時，煙氣無冷凝水，否則會有少量煙氣冷凝水，需要及時稀釋排放，改造後加熱爐熱效率提高到93.50%。
4、改造效果分析4.1 APC改造效果
2018年3月渣油加氫裝置APC 正式投用，其中加熱爐配風控制器通過各爐膛風門和煙道擋板，鼓風機和引風機變頻等控制手段，在穩定爐膛負壓、煙氣氧含量的基礎上，降低了加熱爐煙氣的氧含量。
加熱爐系統經APC改造後，加熱爐負壓標準偏差由9.07 kPa降低至5.93 kPa，降幅34.62%，加熱爐氧含量標準偏差由0.46%降低至0.24%，降幅47.83%，取得了良好的改造效果。
4.2 低氮燃燒器改造效果
根據裝置運行周期，裝置分3次更換3台加熱爐的火嘴，其中F-1801的低氮燃燒器於2018年11月改造完成，F-1101的於2019年4月改造完成，F-1201的於2021年5月改造完成，裝置CEMS監測NOx排放濃度也實現了三連降，具體變化情況見表7。
表7 CEMS NOx排放濃度變化
由表7可以看出，經過3次改造，CEMS監測NOx排放濃度從80.43 mg/m3下降至24.66 mg/m3，遠低於國家排放標準(100 mg/m3)，其中F-1201對煙氣的NOx排放濃度貢獻最大，改造效果最為明顯。
4.3 空氣預熱器改造效果
利用渣油加氫裝置2021年4—5月二階段大修停工檢修機會，對空氣預熱器進行了整體更換。新空氣預熱器為鋼板-鑄鐵板組合式，高溫段為鋼板模塊，低溫段為鑄鐵模塊，鋼板模塊置於鑄鐵模塊上方。煙氣從上往下垂直流動，空氣分為3管程，水平流動，與煙氣形成正十字交叉換熱，其結構見圖2。
圖2 新空氣預熱器結構
新空氣預熱器於2021年6月正式投用。投用後熱空氣溫度由改造前的240 ℃提高至250 ℃，排煙溫度由改造前的127 ℃降至115 ℃左右。2021年6月和7月的加熱爐熱效率分別為93.31%和93.17%，和上一年同比分別增加0.39%和0.48%。加熱爐熱效率明顯提升，但相較於93.5%的設計值還有一定的差距，排煙溫度仍然偏高。主要原因如下。
(1)反應爐直排煙道關閉不嚴的問題沒有解決。經採樣分析，各加熱爐輻射室的氧體積分數在1.2%～1.5%左右，而煙囪CEMS數據顯示煙氣氧體積分數已高達4%，表明有部分空氣通過對流室進入了煙氣系統，使煙氣量比實際燃料氣產生的煙氣量多，造成空氣預熱器換熱不平衡，排煙溫度增加。
(2)空氣預熱器的冷空氣旁路存在內漏。由於冷空氣旁路調節閥的尺寸為1 267 mm×922 mm，與預熱器入口主風道流通截面相同，旁路始端在空氣預熱器入口附近。數據顯示，經空氣預熱器換熱後的空氣從常溫加熱至250 ℃，核算排煙溫度應該在100 ℃左右，實際為115 ℃，表明旁路閥門漏風，部分空氣未經空氣預熱器加熱，導致排煙溫度升高。
(3)空氣預熱器高溫段模塊換熱能力不足。運行數據顯示，高溫段模塊溫度從269.89 ℃降低到202.85 ℃，溫差為67.04 ℃，低溫段模塊溫度從202.85 ℃降低到115.18 ℃，溫差為87.67 ℃，而高溫段模塊換熱面積是低溫段模塊換熱面積2倍左右，表明高溫段換熱面積明顯不足，可能存在內漏或者煙空氣通道阻擋塞，影響高溫段換熱，最終影響排煙溫度。
5、結 論
(1)通過APC改造,氧含量和爐膛負壓的波動明顯減小，其中加熱爐負壓標準偏差降低了34.62%，氧含量標準偏差降低了47.83%，取得了良好的改造效果。
(2)通過低氮燃燒器改造，CEMS監測NOx含量明顯下降，從改造前的80.43 mg/m3降至改造後的24.66 mg/m3，遠低於國家排放標準，下降幅度達69.34%。
(3)通過將熱管式空氣預熱器升級為鋼板+鑄鐵板組合式空氣預熱器，加熱爐熱效率有了明顯的提升，但相較於設計指標還有一定差距，對於存在的問題在接下來的運行過程中要逐步解決，進一步降低排煙溫度，提高加熱爐熱效率。
流程工業最新線上課程推薦
相比於天然氣，氫具有獨特的應用挑戰，包括更寬泛的可燃極限以及更少的點燃能量。「氫」潔能源，如何燃起來？
霍尼韋爾研發並測試了大量支持氫燃料的工業燃燒器產品組合，可為各類供熱設備提供清潔能源。同樣，霍尼韋爾的燃燒器管理控制系統、穩壓閥和安全截止閥均已針對氫燃料應用進行了評估和驗證，可有效保障氫氣燃燒設備的安全啟停和控制。
流程工業攜手霍尼韋爾於2022年6月14日舉辦氫燃燒技術與應用線上研討會。歡迎大家報名，共同切磋！
本文內容來源於《煉油技術與工程》，石化緣科技諮詢，歡迎您關注「流程工業」公眾號，第一時間獲取石油、化工、水處理、新材料、新能源最新市場動態，以及技術進展和項目信息。
本文內容來源於《煉油技術與工程》，石化緣科技諮詢，歡迎您關注「流程工業」公眾號，第一時間獲取石油、化工、水處理、新材料、新能源最新市場動態，以及技術進展和項目信息。
差壓流量計選型與應用探討！ABB差壓流量計在石化和化工行業的應用，線上課程歡迎預約 2022-06-02
技術分享｜泵密封失效原因分析與改進方案的優化 2022-06-04
清華大學+久泰集團：世界首套萬噸級二氧化碳制芳烴工業試驗項目開工，芳烴生產可不依賴石油 2022-06-07
點擊原文，進入流程工業官網，了解流程行業領先的工程、設備、技術